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《Science》重磅:基于石墨烯的超级隔热陶瓷气凝胶!

该论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学系段镶锋教授告诉记者,该陶瓷气凝胶为解决陶瓷超轻结构的脆性问题,以及受热析晶问题提供了研究思路,极大地促进了陶瓷气凝胶在隔热、催化、能源、环境治理、航空航天等领域的应用。

陶瓷气凝胶以其低密度、低热导率和良好的耐火、耐腐蚀特性而被认为是理想的隔热材料。然而,质脆以及晶化诱导的粉碎行为使得陶瓷气凝胶常常在显著的温度梯度变化或者长期的高温暴露中表现出严重的强度退化甚至结构崩塌的现象。鉴于极端条件下的隔热要求相应的材料具备异常优异的稳定性,因此同时具备强大的机械和热学稳定性就成为陶瓷气凝胶在隔热领域进一步发展应用的主要障碍。

哈工大李惠教授和加州大学洛杉矶分校的黄昱教授、段镶锋教授(共同通讯作者)报道了一种具有双曲结构的三维hBN陶瓷气凝胶,同时具有负的热膨胀系数和负的泊松比,具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点。相关研究结果近日发表于《科学》杂志。

该研究成果基于5年的石墨烯气凝胶基础研究,并历时2年完成。该论文第一作者、哈尔滨工业大学土木工程学院副教授徐翔介绍,前期的基础研究完成了石墨烯气凝胶的超弹性、负泊松比、超轻、导电、流体行为、耗能行为等研究。

研究团队利用三维石墨烯气凝胶模板设计合成了同时具有强大的机械和热学稳定性的氮化硼(hBNAGs)以及碳化硅(βSiCAGs)陶瓷气凝胶材料。

《Science》重磅:基于石墨烯的超级隔热陶瓷气凝胶!

图1. 设计与制备过程

这类陶瓷材料由纳米层状双窗格壁组成,整体呈现出超低密度的双曲线构造形态。而这一特殊结构赋予材料负泊松比(-0.25)以及负线性热膨胀系数(-1.8×10-6/℃),致使材料维持热稳定性的同时依然能表现出优异的可变形性和断裂韧性。在剧烈的热休克(大约275℃/s)以及长期高温暴露过程中,这类材料表现出优异的热稳定性以及几乎为零的强度损失。同时此种气凝胶还表现出超低的热导率(在真空中约为2.4 mW/m·K,在空气中约为20 mW/m·K),因此研究人员认为基于上述新型陶瓷气凝胶可以设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域有所应用。

《Science》重磅:基于石墨烯的超级隔热陶瓷气凝胶!

图2. 材料表征

该论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学系段镶锋教授告诉记者,该陶瓷气凝胶为解决陶瓷超轻结构的脆性问题,以及受热析晶问题提供了研究思路,极大地促进了陶瓷气凝胶在隔热、催化、能源、环境治理、航空航天等领域的应用。

段镶锋教授表示,该项研究仅仅是一个开始,下一步研究团队将继续研制更柔韧,能适应更高工作温度,具有更低导热系数的陶瓷气凝胶超轻结构,进一步促进陶瓷气凝胶在多领域的广泛应用。

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